一种基于LabVIEW的多通道数据采集处理系统的设计探讨

一种基于 LabVIEW的多通道数据采集处理系统的设计探讨

杜 鹏

（中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘 要：本文设计了一套基于虚拟仪器技术的的多通道数据采集处理系统。首先对虚拟仪器及LabVIEW相关技术进行了介绍，而后对多通道数据采集系统的设计理论及框架结构进行了说明，最后详细阐述了系统的硬件部分和软件部分的设计过程并给出了上位机软件实现的程序框图和前面板图。

关键词：LabVIEW；多通道；数据采集

1 引言

基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的系统固定封闭、开发维护费用高、技术更新周期长、价格高、不易与其它设备连接等问题，利用计算机强大高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度的A/D、D/A转换卡，可以实现更强大的数据采集测试功能。基于虚拟仪器的数据采集系统成为当今数据采集测试发展的重要方向^[1]。本文正是在虚拟仪器技术的基础上利用LabVIEAW编程平台，设计了一种多通道数据采集系统，实现了对多路信号的采集，并对采集到的数据进行实时显示、记录、分析处理等功能，具有简单实时高效的特点和广泛的应用前景。

2系统设计理论及总体结构的搭建

虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation)技术：虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用功能。灵活高效的软件能帮助创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。简而言之，虚拟仪器技术就是在开放架构的基础上创建用户自定义的测试系统。虚拟仪器大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，是一个测试和自动化系统的高性能、低成本运载平台^[2]。

如图1所示，利用虚拟技术构建采集处理系统的一般流程是从传感器采集来的多路模拟输入信号，经过信号调理后，输入到数据采集卡的各个通道，然后通过PCI总线到PC机，而后经由LabVIEW编写的数据采集处理软件，进行时域和频域的分析、显示和存储^[3]。

图1 虚拟仪器搭建采集处理系统结构图示

3系统硬件结构

硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计，首先必须要选择合适的硬件，本文所设计系统的硬件部分，主要由三部分组成：传感器、数据采集卡( DAQ)、计算机。硬件平台的结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

4 系统软件设计

虚拟仪器的开发必须基于一定的软件开发平台，经过充分的比较各种虚拟仪器软件、开发平台(Visual C++，Visual Basic，Delphi，C++ Builder)的优缺点，本文最终采用了美国NI (National Instrument)公司开发的面向对象与测控过程的图形化开发平台LabVIEW 作为软件开发环境。

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）,是一种基于G语言（Graphics Language,图形化编程语言）的测试系统软件开发平台，具有直观易用、可重用性高、功能高效通用、支持多种仪器和数据采集硬件的驱动等优点。LabVIEW并不局限于虚拟仪器的开发，它的作用是为大型复杂测试系统提供通用的软件开发平台。利用LabVIEW开发测试系统软件，涉及两个主要部分：前面板和程序框图。前面板是指一些图形化的测试界面，即软件运行时展现的各种测试交互接口，包括菜单、参数设置、结果显示等。程序框图是指测试程序的内部运行结构，是测试系统结构、数据处理的流程^[4]。

4.1 系统软件设计总体方案

软件是虚拟仪器的关键。设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。

在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建立在开放的结构上，是否需要编程经验，利用此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植，将来能否方便地扩展虚拟仪器的功能。由于选用专用的开发软件，必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使用^[5]。

在方案确定时，根据系统的自身特点，就可以设计一个基于计算机的数据采集系统。系统软件部分可分为数据采集和实时显示、存储和管理、历史数据查询、报警记录等功能。

在软件的设计中，上位机采用LabVIEW作为平台，编写了数据采集模块、数据保存模块、历史数据查询模块和报警记录模块。上位机软件设计的程序说明如图3所示。

图3 软件部分设计说明图示

4.2系统软件设计的具体实现

多通道数据采集处理系统的前面板中的部分界面如图4、5所示。下面就数据采集和显示程序、数据保存程序、历史数据查询程序三个主要部分详细阐述其具体实现方法。

图4 前面板通道参数配置部分

图5 前面板实时数据显示部分

4.2.1数据采集程序

系统采用的是NI PCI-6221采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-Data Acquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置如通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置，具体程序见图6。

图6 数据采集和显示程序

4.2.2数据保存程序

数据保存是把采集来的数据保存到MySQL等数据库里，这部分工作首先进行的是数据库的选择以及数据库表格的建立，然后用LabSQL工具包将采集的数据按照一定的时间间隔保存到数据库的表格里。

4.2.3历史数据查询程序

历史数据查询，因为已经把采集的数据保存在数据库里，所以历史数据的查询只需要从数据库里按照一定的条件检索出来就行了，这样就涉及到检索条件的问题，而保存数据的表格的主键已设为保存时刻，每个数据在时间上是唯一的。因此检索条件确定为保存数据的时间段。

5 结束语

随着科学技术的日新月异，各个行业对数据的采集处理有了更高的要求，采集速度和精度不断提高，而体积和功耗却在迅速下降。本文设计并实现了一套基于LabVIEW的多通道数据采集处理系统，并对多通道数据采集系统的基础理论、总体结构的搭建、系统硬件部分的实现、系统软件部分的实现进行了详细的阐述。系统选用经济高效的采集设备，实现了对多路数据的高效高精度采集、实时显示、数据存储、历史数据查询和报警记录等功能。虚拟仪器(Virtual Instruments)以及LabVIEW等软件开发平台在当今和未来的国防、工业等各个领域具有重要的作用，蕴藏着巨大的发展潜力。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。而在虚拟仪器的平台上可以创建多种程序代替传统仪器，创建多种能够满足不同条件的测控系统，为各行各业提供极大的便利，总之虚拟仪器为数据采集分析处理提供了一个可以不断升级的灵活的测控平台，随着人们的不断深入了解，基于LabVIEW等软件开发平台的多通道数据采集处理系统必将迎来一个更加广阔的应用发展前景。

参考文献

[1] 刘晓莉,聂荣华,刘祖润,周少武,吴新开.虚拟实验仪器设计原理与应用 [J]. 实验室研究与探索，2002(05)

[2] 林爽，杨风.基于LabVIEW的多通道数据采集系统的研究[J].山西电子技术,2009(03):18-20.

[3] 孙超伦.浅谈虚拟仪器及传感器在物理实验中的应用[J].科技资讯,2009(26).

[4] 赖欣.虚拟现实技术在教学中的应用[J].四川工业学院学报,2003(2)：50252.

[5] 师黎.虚拟仪器技术在实验室建设中的应用研究[J].郑州工业大学学报,1999(2):30232.

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